平板沖擊加載下對雙相鋼動態損傷演變的研究①

楊 揚，王 燦

（1.中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙410083；2.中南大學 有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，湖南 長沙410083）

層裂是由應力波之間的相互作用使材料發生動態斷裂的破壞過程［1］。金屬材料層裂損傷的演變通常包括微孔洞的形核、長大、貫通等過程［2－5］。此前的研究都集中在純金屬或者單相合金中的層裂研究［6－9］，而少部分多相合金的研究中都是關于第二相對多相材料層裂強度等的影響［10－11］，目前多相合金層裂損傷演變機制還缺乏系統研究。本文選取雙相鋼作為研究對象，探究多相合金層裂過程中孔洞形核以及損傷演化的機制。

1 實 驗

實驗所用材料為分級淬火后的20 鋼，其初始組織為鐵素體加珠光體組織。為得到2 種不同相組分的雙相鋼，對20 鋼采用2 種不同分級淬火：1＃樣品在1 000 ℃保溫60 min，隨爐冷卻至740 ℃，并保溫30 min，取出后在冷鹽水中淬火；2＃樣品在1 000 ℃保溫60 min，然后隨爐冷卻至780 ℃，并保溫30 min，取出后在冷鹽水中淬火（在冷鹽水中淬火是為了加快冷卻速度，并防止樣品表面產生氣泡導致淬火組織不均勻）。

采用一級輕汽炮對熱處理后的2 個樣品進行動態加載實驗，加載實驗在西南交通大學開展（采用57 mm口徑的輕氣炮設備）。為了使2 種樣品受同樣程度的沖擊，本次實驗以一擊二的形式進行沖擊加載，即一個飛片經發射后同時擊打到兩個樣品上。一級輕氣炮實驗中所用的飛片尺寸為Φ52 mm×2 mm，2 種樣品尺寸為Φ20 mm×4 mm，加載速度為250 m／s。同時為避免回收樣品受到二次損傷，對沖擊后的樣品采用軟回收方式。通過安裝在試樣自由面的DPS 探頭獲得試樣自由面速度曲線。圖1 為靶板示意圖。

圖1 靶板示意

為了研究雙相鋼微觀組織形態及其內部層裂損傷的位置分布等信息，對沖擊前后的樣品進行金相觀察。沖擊前后的樣品用水磨砂紙磨光，然后使用W1.5、W0.5 金剛石研磨膏依次進行拋光處理，最后用4%硝酸酒精溶液進行侵蝕，制得金相試樣，觀察雙相鋼內部微觀組織。

根據材料動力學理論，材料的沖擊阻抗會影響沖擊波的傳播，從而影響層裂損傷的形核以及發展。材料阻抗可近似用初始密度ρ0和聲波速度C0（C0＝為材料楊氏模量，用彈性模量替代）的乘積表示。納米壓痕測試在瑞士CSM 公司生產的UNHT納米壓痕試驗機上開展，每個相測試3 個點，得到納米硬度和彈性模量平均值，計算出鐵素體與馬氏體兩相沖擊阻抗值。

2 實驗結果及討論

2.1 熱處理對雙相鋼組織的影響

2 個樣品金相圖如圖2 所示。圖中淺色區域為鐵素體，深色區域為馬氏體。

圖2 兩種不同熱處理后的樣品金相圖

通過IPP（image pro plus）軟件計算得出2 個樣品各相含量以及鐵素體晶粒尺寸，如表1 所示。

表1 樣品各相含量及晶粒尺寸

由表1 可以發現，2＃樣品內的馬氏體明顯多于1＃樣品，這是因為低碳20 鋼在分級淬火過程中，隨著保溫溫度升高奧氏體的體積分數增加，隨后在鹽水中淬火時奧氏體轉變成馬氏體，因此馬氏體的含量隨著淬火溫度升高而增加。

2.2 自由面速度曲線分析

圖3 為2 個樣品在250 m／s 的飛片撞擊下用DPS測速系統所測得的自由面曲線。

圖3 自由面速度時間曲線圖

2 個樣品所受的沖擊壓力可由下式［4］計算得到：

式中σp為沖擊壓力，GPa；ρ0為20 鋼的密度，取7.85 g／cm3；S 為Gruneisen 狀態方程參數，20 鋼對應的S 值為1.20［12］；C0為體積聲速，取4.607 mm／μs［12］；u 為波后粒子速度，為沖擊速度的一半，取125 m／s。通過計算得到2 個樣品所受到的沖擊壓力為4.67 GPa。

層裂強度是動態損傷應力的一種度量，關于層裂強度的計算可以由下式［2］計算得出：

式中σf為層裂強度，GPa；Δu 為自由面速度Pullback的幅值，Δu ＝umax－umin，它常常作為是否發生層裂以及預估層裂強度的重要依據。

計算結果如表2 所示。

表2 自由面速度曲線相關參數計算結果

計算得到1＃樣品的層裂強度比2＃樣品的小，并且Pullback 幅值表征了損傷成核或起始的條件——成核強度［13］，說明1＃樣品更易形成孔洞，這是因為1＃樣品中相界面較多，在同一加載速度條件下1＃樣品與2＃樣品相比，由于相界面對沖擊波的反射與透射作用會在高阻抗的相內形核，這也意味著相界面越多，在高阻抗相內產生拉應力并且形成孔洞的幾率也越大，因此降低了1＃樣品中的層裂強度。

2.3 層裂損傷金相分析

沖擊后樣品內部層裂損傷分布以及形核位置見圖4。圖中深色區域為馬氏體，淺色區域為鐵素體，黑色為孔洞與裂紋。由圖4 可以看出，2 個樣品中的層裂初期孔洞都形核于馬氏體內部，然后孔洞長大貫通形成微裂紋，表現為穿晶斷裂。一般而言，準靜態加載條件下，由于兩相的物理力學性能差異導致在兩相的界面上產生應力與應變差異，容易產生應力集中，所以在準靜態加載條件下相界面一般是孔洞優先形核長大的位置［14］；但是在動態加載條件下的層裂損傷中，孔洞在馬氏體內部形核并且長大貫通形成微裂紋。1＃樣品中的裂紋擴展方向基本與沖擊方向垂直，而2＃樣品中的裂紋沒有朝一個方向擴展，這是因為2＃樣品中的馬氏體內部呈群落狀分布，一個馬氏體群落由幾個原奧氏體晶粒組成，不同奧氏體內部馬氏體束的位向不同，因此裂紋擴展被限制在不同的區域，裂紋不容易沿著一個方向擴展。

圖4 沖擊后樣品的顯微組織圖

2.4 相界面對孔洞形核的影響

對馬氏體相以及鐵素體相進行納米壓痕實驗，得到兩相平均壓深-載荷的加載、卸載曲線如圖5 所示。

圖5 各相納米壓痕壓深-載荷加載、卸載曲線

通過阻抗值的計算公式可得到各相的沖擊阻抗值［4］：

式中C0為聲波速度，由前文提到的公式計算得到；ρ0為各相密度，可以根據兩相的含碳量計算出兩相的相對密度。納米壓痕實驗相關參數以及計算結果見表3。

表3 納米壓痕實驗數據

由表3 可以看出，馬氏體的納米壓痕硬度要高于鐵素體，并且馬氏體內部沖擊阻抗要高于鐵素體內部沖擊阻抗。根據文獻［3］對材料動態力學行為闡述可知，相界面對沖擊波具有反射與透射作用，所以沖擊波從高阻抗的馬氏體內部傳入低阻抗的鐵素體內部時，會在馬氏體內部產生一個拉伸應力，當這個拉升應力達到足夠大時，就會在馬氏體內部形成孔洞。

3 結 論

1）動態加載條件下，孔洞在馬氏體內部形核、長大、貫通形成微裂紋，并且裂紋表現為穿晶斷裂。

2）1＃樣品中的裂紋擴展方向大部分與沖擊方向垂直；而2＃樣品中的裂紋沒有沿著一個方向擴展，這是因為2＃樣品中馬氏體內部呈群落狀分布，由不同的原奧氏體晶粒組成，不同的原奧氏體內部的馬氏體束位向差較大，導致裂紋限制在不同區域，因此裂紋難以朝一個方向擴展。

3）馬氏體的阻抗大于鐵素體的阻抗。由于相界面對沖擊波具有反射與透射作用，沖擊波從高阻抗的相傳入低阻抗的相內時會在高阻抗相內形成拉伸脈沖，從而引起層裂損傷。因此，層裂損傷過程中孔洞在馬氏體內部形核長大、貫通形成微裂紋，最后貫穿整個馬氏體。

4）相界面對沖擊波具有反射與透射作用，因此，樣品中相界面越多，在高阻抗相內產生拉應力并且形成孔洞的幾率也越大，樣品的層裂強度越低。